晶体硅太阳电池工艺技术1

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1、 晶体硅太阳电池工艺晶体硅太阳电池工艺 技术技术 无锡尚德太阳能电力有限公无锡尚德太阳能电力有限公 司司 ( (SUNTECH POWER CO. LTD.SUNTECH POWER CO. LTD.）汪义川汪义川 2004 2004年年9 9月月一、晶体硅太阳电池工艺原则高效化低成本大批量二、表现方式2.1 2.1 大片化，薄片化，高效化大片化，薄片化，高效化大片化 多晶硅片210*210（mm）面积441cm2 单晶硅片156*156（mm）面积239.9cm22.2 薄片化220 薄片化是把双刃剑，薄片化可以降低成本。但是 ，碎片率会增加。国际上晶片供应商都是朝220方 向看齐，薄片化会

2、对第三世界太阳电池生产商而言 会形成一道强大技术壁垒。中国有可能在未来156156（mm）单晶 硅片生产上，占有让国际光伏圈内不可小 视的一席之地。中国有批量生产8吋单晶炉设备的厂家；各地已有不少厂家在上8吋单晶炉，150150（mm）晶片已问世。 高邮江苏顺大半导体发展有限公司拉的8吋单晶，镇江环太硅科技公 司切片；无锡尚德太阳能电力有限公司刚之竣工一条年产25MW，生产单晶硅 和多晶硅156156（mm）、150150（mm）太阳电池生产线。三、光伏技术的发展 晶体硅太阳电池是光伏行业的主导产品，占市场 份额的90%，尤其是多晶硅太阳电池的市场份额已 远超过单晶硅电池的市场份额，自从六十年

3、代太阳 能电池作为能源应用于宇航技术以来，太阳能电池 的技术得到非常迅速的发展，单晶硅太阳能电池的 转换效率已接近25%，多晶硅太阳能电池的转换效 率已接近20%。图1显示了单晶硅太阳能电池转换效 率的发展过程，1980年以后的转换效率的世界纪录 主要由澳大利亚新南威尔斯大学保持。图1单晶硅太阳能电池转换效率的发展过程 3.1 实验室高效太阳能电池的研究太阳能电池是一种少数载流子工作器件， 当光照射到一个P型半导体的表面上，光在材 料内的吸收产生电子与空穴对。在这种情况下 ，电子是少数载流子，它的寿命定义为从其产 生到其与空穴复合之间所生存的时间。少数载 流子在电池内的寿命决定了电池的转换效率

4、。 因此要提高电池的转换效率，就必须设法减少 少数载流子在电池内的复合，从而增加少数载 流子的寿命。影响少数载流子寿命的因素有:1）体内复合；2）表面复合；3）电极区复合。1）体内复合 减少晶体硅体内的复合，首先要选用适当的掺 杂浓度的衬底材料。一般太阳能电池制造所用的硅 片的电阻率在0.5到1cm 左右。提高晶体的质量， 减少缺陷和杂质，是提高少数载流子寿命的重要手 段。吸杂(gettering)工艺能有效的提高材料的质量。 钝化(passivation)工艺能有效地减少晶体缺陷对少数 载流子寿命的影响。2）表面复合 减少表面复合通常采用在硅表面生成一层介质 膜如二氧化硅(SiO2)和氮化硅

5、(SiN)。这种介质膜完 善了晶体表面的悬挂键，从而达到表面钝化的目的 。如果这种介质膜生成在n型硅的表面，由于在这 些介质膜内固有的存在作一些正离子，这些正离子 排斥了少数载流子空穴向表面移动。另外一种表面 钝化的方法是在电池表面形成高低结(high-low junction)。这种结在表面产生一个电场,从而排斥了 少数载流子空穴向表面移动。3）电极区复合 减少电极区的复合可采用将电极区的掺杂浓度 提高，从而降低少数载流子在电极区的浓度。减少 载流子在此区域的复合。 基于以上提高电池转换效率的途径，派生了多 种高效晶体硅太阳能电池的设计和制造工艺。其中 包括PESC电池（发射结钝化太阳电池）

6、和表面刻槽 绒面PESC电池；背面点接触电池（前后表面钝化电 池）；PERL电池（发射结钝化和背面点接触电池 ）。由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效 率均高于20%，其中保持世界记录（24.7%）的单 晶硅和多晶硅电池（19.8%）的转换效率均是由 PERL电池实现的。图图5 5显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计显示了由澳大利亚新南威尔斯大学设计 和制造的高效晶体硅太阳能电池（和制造的高效晶体硅太阳能电池（PERLPERL） 示意图。示意图。图图5 5：实验室高效太阳能电池结构示意图：实验室高效太阳能电池结构示意图 实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点：实验室高效太阳能电池的结构具有以

7、下特点： 1) 表面采用了倒金字塔结构进一步减小光在前表面的反射并更有效地 将进入硅片的光限制在电池之内； 2) 硅表面磷掺杂的浓度较低以减少表面的复合和避免表面“ 死层”的 存在； 5) 前表面电极采用更匹配的金属如钛，钯，银金属组合以进一步减小 电极与硅的接触电阻； 3) 前后表面电极下面局部采用高浓度扩散以减小电极区复合并形成好 的欧姆接触；4) 前表面电极很窄（只有20微米宽) 以及电极条之间的距离变窄使得 前表面遮光面积降低到最小并减少n型区横向导电电阻的损失；7)利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。 6) 电池的前后表面采用SiO2和点接触的方法以减少电池的表面复合； 目前这种电

8、池技术是制造实验室高效太阳能电 池的主要技术之一，25的电池就是由此技术制造 的。但是，这种电池的制造过程相当烦琐，其中涉 及到好几道光刻工艺，所以不是一个低成本的生产 工艺，很难将且应用于大规模工业生产。八十年代中期，新南威尔斯大学发明了“激光埋沿式电池制造工 艺”，图6描述了这种电池结构，这一电池技术采纳了高效太阳能电 池的优点，简化了高效太阳能电池的制造工艺，使之成为可生产的技 术。图图6 6 激光埋沿式电池结构示意图激光埋沿式电池结构示意图 目前这一技术已转让给好几家世界上规模较大的太阳能电池生产厂家如英国的 BP SOLAR 和美国的SOLAREX等 8)背面金属铝烧结；2)表面淡磷

9、扩散；1)表面金字塔的形成；7)背面金属铝蒸发；6)槽内浓磷扩散；4)激光刻槽 ；3)表面氧化物(SiO2)生长；9) 化学镀前后面金属电极；10)边缘切割。5) 槽内化学腐蚀；激光埋沿式电池制造的主要工艺流程是： 2000年，日本三洋公司（Sanyo）报道了一种新型的高效太阳能电池设计和 制造的方法。图7显示了这种电池的结构示意图。此种电池基于一种n-型晶体硅材 料，采用等离子体化学沉积（PECVD）方法在n-型硅片衬底上沉淀本征层i-和p-型 非晶硅薄膜，从而形成n-型硅和非晶硅异质结结构（HIT）太阳电池，非晶硅（a- Si:H）材料的带宽在1.7eV左右，远大于晶体硅1.1eV的带宽，

10、因此此种HIT电池结 构对于电池表面有很好的钝化作用。同时，由于非晶硅几乎没有横向导电性能， 因此必须在硅表面淀积一层大面积 的透明导电膜（TCO）以有效地收集电池的电 流。这种电池的结构和工艺制造出了21%转换效率的单晶硅太阳电池，电池的开路 电压（Voc）达到719mV，接近世界纪录，制造这种电池的工艺温度不超过300。 如果温度高于400，氢原子很容易从非晶硅材料内逸出，从而降低非晶硅材料的 质量，影响电池的转换效率，但由于制造工艺涉及到复杂的真空系统，因此制造 工艺并非简单。图图7 7 高效太阳能电池的结构示意图高效太阳能电池的结构示意图 3.2 大规模工业生产太阳电池制造 目前国际上

11、大多 数晶体硅太阳能电池生 产厂家都采用丝网印刷 技术。这一技术是在七 十年代形成的。因此已 没有产权归哪一个生产 厂家的说法。这一技术 对单晶硅和多晶硅都适 用。图8描述了这一电 池的结构。图图8 8 丝网印刷工艺生产的电池结构示意图丝网印刷工艺生产的电池结构示意图 丝网印刷工艺过程包括： 1、表面金字塔的形成（以减少表面 反射）； 2、磷扩散 （900oC 的高温工艺）；3、 边缘切割； 4、丝网印刷前表面电极；5、丝网印刷后表面电极；6、 电极烧结(800oC 的高温工艺)；7、前表面减反射膜喷涂。由这一工艺生产的单晶硅太阳能电池的转换效率在13.516之间，多晶硅电池的转换效 率在13

12、15.5之间。丝网印刷技术具有以下特点：丝网印刷技术具有以下特点：1、为了使电极和硅表面形成好的欧姆接触，由磷扩散所形成的表面n型材料掺杂 浓度偏高。 正如上面所陈述的，高浓度掺杂降低材料内的少数载流子寿命,使得光生载流 子不能得到有效地收集。而短波长的太阳光是被这一层材料吸收的，因此这些太阳光的 能量不能得到很好的利用,形成所谓的“死层”。2 、电池前表面的复合高，因为电池的前表面没有采取有效的钝化措施。3、受丝网技术的限制，前表面的金属电极不能做的很窄，从而遮挡了光在硅片内的 有效吸收。取决于硅片的电阻率，由丝网印刷技术生产的晶体硅电池的开路电压在580 620mV之间，短路电流密度在2833mA/cm2之间，以及填充因子在70%75%之间。对 于大面积的电池，电池表面10%-15%面积被电池表面电极遮挡了。